Сварка термопластов

Воздуховоды и фасонные части СПЕЦВЕНТ изготавливаются из химстойких листовых полимерных материалов (термопластов) сварным методом, т.е. элементы являются неразборными (за исключением шиберных заслонок, дроссель-клапанов и обратных клапанов) и абсолютно герметичными.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ СВАРКИ ПЛАСТМАСС

Процесс сварки термопластов заключается в образовании соединений за счет контакта активированных нагревом соединяемых поверхностей.

 

Последовательность операций может быть различной:

  • контакт, затем нагрев;
  • нагрев, затем контакт;
  • одновременные контакт и нагрев.

При сварке термопластов в сварочной зоне протекают следующие процессы:

  1. подвод и преобразование энергии, обеспечивающей активацию свариваемых поверхностей;
  2. взаимодействие активированных свариваемых поверхностей при контакте их друг с другом;
  3. формирование структуры материала в зоне контакта.

Активация состоит в нагреве свариваемых поверхностей, проявляется в повышении энергии теплового движения макромолекул.

Активация свариваемых поверхностей может достигаться за счет:

  • контакта их с теплоносителями – нагретыми инструментами, газами либо присадочными материалами;
  • поглощения и преобразования энергии высокочастотных электрических колебаний, механической энергии трения, лучистой энергии либо энергии высокочастотных механических колебаний.

Следующая стадия – взаимодействие активированных свариваемых поверхностей при их контакте. Эта стадия наиболее ответственна за свойства образовавшегося сварного соединения, так как только при реализации взаимодействия между макромолекулами полимера возможно получение соединения, близкого по свойствам к исходному материалу.

Механизм формирования сварного соединения полимерных материалов определяется в большей степени температурой нагрева свариваемых поверхностей, влияющей на их состояние – высокоэластичное или вязкотекучее.

Если сварка выполняется при температуре ниже температуры текучести (высокоэластичное состояние), образование соединения обусловлено, главным образом, диффузией сегментов макромолекул через границу раздела. Образование прочного соединения в данном интервале температур возможно лишь при длительном контакте свариваемых поверхностей. Материал в зоне соединения не отличается от исходного по надмолекулярной структуре независимо от скорости охлаждения.

Когда температура материала выше температуры текучести и свариваемые поверхности находятся в вязкотекучем состоянии, сваривание термопластов происходит быстро, продолжительность процесса в ряде случаев исчисляется секундами (особенно при ультразвуковой и высокочастотной сварке).

Такая высокая скорость сварки невозможна за счет диффузии. В этом случае проявлению сил межмолекулярного взаимодействия предшествует ряд явлений.

В первую очередь, при контакте напряжение, создаваемое усилием прижима, вызывает перемещение слоёв расплава. Это перемещение расплава приводит к удалению из зоны соединения воздушной прослойки и других инородных включений и проявляется в выдавливании расплава из зоны соединения. Скорость течения в различных участках контакта может различаться из-за некоторой неравномерности их нагрева и неравномерного распределения давления. Всё это приводит к перемешиванию расплава, что особенно вероятно в случае применения способов сварки, сущность которых состоит в воздействии на материал высокочастотных механических либо электрических колебаний.

Следовательно, образование сварных соединений при контактировании расплавленных соединяемых поверхностей обусловлено в значительной степени перемешиванием макрообъемов расплава на этапе образования физического контакта. Диффузионные процессы являются сопутствующими и протекают по границам этих макрообъемов. Граница раздела отсутствует. Прочность шва приближается к прочности свариваемого материала. Сварка термопластов в вязкотекучем состоянии имеет значительные преимущества в сравнении с диффузионной.

Последняя стадия образования сварного соединения – формирование надмолекулярной структуры в зоне контакта – в значительной степени определяет физико-механические и другие свойства материала.

Схема сварки нагретым газом с применением присадочного материала

Для максимального приближения свойств шва к свойствам исходного материала необходимо обеспечить в шве надмолекулярные структуры, характерные для исходного материала. Существенное влияние на характер надмолекулярных структур оказывают условия охлаждения расплава. Варьируя их, можно получить желаемую или близкую к ней надмолекулярную структуру.

При выборе способа сварки необходимо принимать во внимание возможности того или иного способа и технико-экономическую целесообразность, исходя из свойств свариваемой пластмассы и вида конструкции. Не все термопласты одинаково успешно могут быть сварены тем или иным способом сварки.

Таким образом, существует довольно широкий ряд различных способов сварки листовых инженерных пластиков. Ниже приведено краткое описание основных методов, применяемых специалистами СПЕЦВЕНТ в процессе изготовления оборудования для систем вентиляции из листовых полимерных материалов (полипропилен, полиэтилен, поливинилхлорид).

СВАРКА ПЛАСТМАСС НАГРЕТЫМ ГАЗОМ

Сварка нагретым газом – один из самых распространенных способов сварки пластмасс, основанный на использовании тепловой энергии нагретого газа для разогрева свариваемых поверхностей и присадочного материала до вязкотекучего состояния. В качестве газа-теплоносителя можно использовать воздух, азот, аргон, углекислый газ, продукты горения горючих газов и др. Подвод теплоты осуществляется непосредственно к соединяемым поверхностям последовательно от одного участка шва к другому (рис. 1).

Данный способ применим для изготовления воздуховодов, фасонных элементов, емкостей и прочего оборудования из толстолистового материала: полиэтилена (ПЭ), полипропилена (ПП), поливинилхлорида (ПВХ) толщиной от 2 до 20 мм.

Основное достоинство данного способа – возможность соединения деталей практически любых размеров и конфигураций.

Сварку нагретым газом применяют для получения практически всех видов сварных соединений: стыковых, нахлесточных, угловых и тавровых. Типы швов, условные обозначения и размеры конструктивных элементов регламентированы ГОСТ 16310-80.

Схема сварки нагретым газом с применением присадочного материала

Рис.1. Схема сварки нагретым газом с применением присадочного материала: 1 – свариваемые детали; 2 – сопло нагревателя; 3 – присадочный пруток; 4 – сварной шов; V – направление сварки; Р – направление прикладываемого усилия.

Скорость сварки зависит от толщины и типа свариваемого материала, температуры нагрева присадочного и основного материалов и составляет 4-15 м/ч.

Специалисты СПЕЦВЕНТ выполняют сварку пластмасс при помощи специализированных сварочных аппаратов марки LEISTER, нагрев прутка в которых осуществляется воздухом.

СВАРКА ПЛАСТМАСС РАСПЛАВОМ-ПРИСАДКОЙ (ЭКСТРУЗИОННАЯ)

Сварка термопластов расплавом основана на использовании теплоты готового расплава присадочного материала, подаваемого из нагревательного устройства в зону сварки, и передаче тепла соединяемым поверхностям.

Метод высокопроизводителен, обладает широкими технологическими возможностями и позволяет получать высококачественные сварные соединения.

Для подачи расплава используется экструдер, через который непрерывно подаётся присадочный пруток. Присадочный же пруток обеспечивает выдавливание расплава (расплавленной части прутка) в зону сварки.

Экструзионная сварка обычно применяется для термопластов с низкой температурой текучести и широким температурным интервалом вязкотекучего состояния, способных выдерживать значительный перегрев без деструкции: полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП), поливинилхлорид (ПВХ).

Сварку экструдируемой присадкой можно использовать для выполнения стыковых, угловых, тавровых и нахлесточных соединений. Основные типы и размеры конструктивных элементов регламентированы ГОСТ 16310-80 и определяются толщиной материала, нагрузкой, действующей на сварную конструкцию, и доступностью к месту сварки.

Оптимальные значения скоростей сварки лежат в интервале 5-300 м/ч, а давлений на расплав – в диапазоне от 0,05 до 0,6 МПа. Чем выше температура материала на выходе из экструдера, тем меньше давление и больше скорость сварки.

Сварка на оптимальных режимах обеспечивает прочность сварных соединений, близкую к прочности основного материала, причем оптимальные значения параметров режима не зависят от толщины материалов.

СВАРКА ПЛАСТСМАСС НАГРЕТЫМ ИНСТРУМЕНТОМ

Подвод тепловой энергии, необходимой для сварки термопластов, наиболее просто может быть осуществлен за счет контакта свариваемых деталей с нагретым инструментом.

В контакт с нагретым инструментом вводятся поверхности, подлежащие сварке. Нагрев поверхностей, подлежащих сварке, до нужных температур осуществляется за счет теплоотдачи от плотно поджатого к ним нагретого инструмента. Такую схему называют сваркой прямым нагревом или сваркой оплавлением (рис. 2).

Схема сварки прямым нагревом

Рис.2. Схема сварки прямым нагревом: 1 – нагретый инструмент; 2, 3 - свариваемыедетали; 4 – сварной шов; слева –  нагрев; справа – осадка; РН – давление при нагреве; РОС – давление при осадке.

Основные технологические параметры при сварке деталей прямым нагревом:

  • температур анагревателя – ТН;
  • продолжительность нагрева – tH;
  • усилие прижатия инструмента к детали (давление оплавления) – РОПЛ;
  • давление осадки – РОС;
  • продолжительность выдержки под давлением после сварки – tОХЛ.

Этот способ применим для изготовления воздуховодов, фасонных деталей и емкостей из полиэтилена (ПЭ), пропилена (ПП) и поливинилхлорида (ПВХ) толщиной 2-20 мм.

Прямой характер нагрева свариваемых поверхностей предопределяет прерывистость процесса.

Процесс включает три этапа:

  • разогрев или оплавление поверхностей, подлежащих сварке (стыкуемых кромок);
  • технологическая пауза, необходимая для удаления или перемещения из зоны сварки нагретого инструмента;
  • осадка свариваемых деталей путем приложения давления и выдержки      под давлением до достижения необходимой температуры охлаждения.

Данный метод сварки специалисты СПЕЦВЕНТ осуществляют на автоматизированных стыковочных станках S-PH4000A plastic butt welder.

стыковочный стонок для полипропилена